CN109252073A - 高强韧性铝合金航天材料及其制备方法 - Google Patents

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姜淑珍
梁建胜
张小禄
李通
吴显杨
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Abstract

本发明涉及一种高强韧性铝合金航天材料及其制备方法，该材料的组分及质量百分含量为：Si：6.50％‑7.50％、Mg：0.35％‑0.45％、Ti：0.12‑0.25％、Be：0.02‑0.05％、Fe≤0.35％、Cu≤0.1％、Zn≤0.1％、1/2Fe≤Mn≤2/3Fe。本发明通过加入硼酸钠和铝锰中间合金提高材料的延伸率。硼酸钠的加入使杂质元素铁的容限由0.20％(质量百分比)提高到0.35％(质量百分比)，且延伸率由4‑6％提高到10％以上，满足航天用合金材料高强韧性的要求，取代进口。

Description

高强韧性铝合金航天材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料制备领域，涉及高强韧性铝合金铸件材料，尤其是高强韧性铝合金航天材料及其制备方法。
背景技术
铝合金是目前航天用量很大的金属材料，占到金属材料用量的80％左右。航空材料轻量化已经成为国内外航空工业界的研究热点。航空轻量化的主要途径之一为材料的轻量化。铝合金材料具有密度小、比强度高等一系列优点，是替代钢材的理想材料。研究铝合金新材料攻破制备技术使高强韧航空铝合金材料国产化越来越迫切。
航天产品为了保证高的力学性能，使用ZL114A铝合金材料，此合金流动性、抗热裂倾向、抗缩松倾向和气密性等工艺性能较好，是航空铝铸件常用的几种铸造合金之一，但材料成分要求Fe含量较低，在合金熔化浇铸过程中，需要采取措施控制合金液的Fe含量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种航天用高强韧性铝合金材料及其制备方法，关键技术：使杂质元素铁的容限由0.2％(质量百分比)提高到0.35％(质量百分比)，且延伸率由4-6％提高到10％以上，满足航天用材的要求，取代进口。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种高强韧铝合金航天材料，其组分及质量百分含量为：
一种高强韧性铝合金材料的制备方法，步骤如下：
(1)将AlSi7合金锭投入熔炼炉中熔化，熔化温度750-770℃；
(2)然后将AlTi10、AlBe3、AlMn10、硼酸钠投入反射炉中，搅拌5-10min，升温至760-780℃；
(3)按总投料的0.1％-0.2％称取精炼剂，以惰性气体氮气为载体将精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内，喷粉时间控制在20-30min，静置5min，将铝液表面的浮渣捞出；
(4)用钟罩将金属镁压入铝合金熔体内部至金属镁全部熔化，迅速搅拌5min；
(5)炉内铝液静置10min，调整铝液温度至700±10℃，打开炉组放水装置，开始浇铸；
(6)浇铸过程，铝合金液经过炉后静波及炉后双转子除气，进入模具内部凝固成锭。
而且，所述的AlSi7合金锭为Si含量在7-7.5％范围内的铝硅中间合金。
而且，所述的硼酸钠为含有无色晶体的白色粉末，分子式为Na2B4O7.H2O。
而且，所述的AlTi10为Ti含量在9％-11％的铝钛中间合金锭。
而且，所述的AlBe3为Be含量在2.5％-3.5％的铝铍中间合金锭。
而且，所述的AlMn10为Mn含量在9％-11％的铝锰中间合金锭。
本发明高强韧性铝合金航天材料在ZL114A的基础上进行优化：
①增加Mn/Fe比例控制范围：1/2-2/3；
②增加杂质元素铁的容限范围：由0.2％(质量百分比)提高到0.35％(质量百分比)；
③铝熔体组织细化技术：硼酸钠和铝或其他杂质元素反应生成了一些高熔点的硼化物，这些硼化物可以在铝液凝固过程中充当形核点；
④减少熔炼时间：由熔化AlSi7合金锭代替熔化重熔用铝锭和工业硅；
⑤减少合金的含气量：铝熔体经过炉前除气和炉后双转子双重除气技术。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过加入硼酸钠和铝锰中间合金提高材料的延伸率：(1)B与Fe反应生成的FeB2相可以被熔渣捕获，经过扒渣或过滤除去，降低了Fe含量；(2)Mn与Fe反应，使Fe相由针状β-Fe转变成颗粒状或汉字状的α-Al(Fe，Mn)Si，改变了铁相的形貌。使杂质元素铁的容限由0.20％(质量百分比)提高到0.35％(质量百分比)，且延伸率由4-6％提高到10％以上，满足航天用合金材料高强韧性的要求，取代进口；(3)硼酸钠与其他杂质元素反应生成了一些高熔点的硼化物，可以在铝液凝固过程中充当形核质点，从而细化合金组织。综上所述，本发明在提高Fe元素的容限基础上提高了合金的延伸率。
2、本发明对铝熔体采用双重除气工艺，浇铸溜槽内采用静波除气，浇铸过程中采用双转子除气工艺，大大降低铝熔体的含气量，提高材料的性能。
3、本发明采用AlSi7合金锭代替重熔用铝锭和工业硅，减少了熔化时间，节约生产成本。
附图说明
图1为ZL114A金相组织图；
图2为本发明合金金相组织图(50um)；
图3为本发明合金金相组织图(12.5um)；
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例：高强韧性铝合金航天材料及其制备方法，步骤如下：
(1)分别称取AlSi7合金锭、金属镁、钛中间(AlTi10)、铍中间(AlBe3)、锰中间(AlMn10)、硼酸钠(Na2B4O7.H2O)，各成分质量百分含量如下：
(2)按总投料的0.1-0.2％称取称取精炼剂；
(3)利用叉车将步骤(1)中的AlSi7合金锭放入30t的固定式火焰反射炉中熔化，熔化温度760-780℃，取样进行成分检测；
(4)然后将步骤(1)中的钛中间、铍中间、锰中间、硼酸钠利用叉车投入固定式反射炉中，叉车叉动搅拌耙大力搅拌炉内铝液5-10min，升温至760-780℃，取样进行成分检测；
(5)调整铝液温度至760-780℃，将步骤(2)中的精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体氮气为载体将精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内去除铝合金中的浮渣(兼有除气、除杂的作用)，喷粉时间控制在20-30min，静置5min，将铝液表面的浮渣捞出；
(6)用钟罩将步骤(1)中的金属镁压入铝合金熔体内部至金属镁全部熔化，迅速搅拌4-5min，取样进行成分检测；
(7)炉内铝液静置10min，调整铝液温度至700±10℃，打开炉组放水装置，开始浇铸；
(8)浇铸过程，铝合金液经过炉后静波及炉后双转子除气，进入模具内部凝固成锭。
本发明铝合金材料与航天用材ZL114A合金成分、金相、力学性能对比：
表1合金材料成分
表2合金力学性能
合金牌号 延伸率(％) 状态
ZL114A ≥6 T6
发明合金 10.6 T6
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强韧性铝合金航天材料，其特征在于：该材料的组分及质量百分含量为：Si：6.50％-7.50％、Mg：0.35％-0.45％、Ti：0.12％-0.25％、Be：0.02％-0.05％、Fe≤0.35％、Cu≤0.1％、Zn≤0.1％、1/2Fe≤Mn≤2/3Fe。
2.根据权利要求1所述的高强韧性铝合金航天材料，其特征在于：制造步骤如下：
(1)将AlSi7合金锭投入火焰反射炉中熔化，熔化温度750-770℃；
(2)然后将AlTi10、AlBe3、AlMn10、硼酸钠投入反射炉中，搅拌5-10min，升温至760-780℃；
(3)按总投料的0.1％-0.2％称取无钠精炼剂，以惰性气体氮气为载体将精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内，喷粉时间控制在20-30min，静置4～6min，将铝液表面的浮渣捞出；
(4)用钟罩将金属镁压入铝合金熔体内部至金属镁全部熔化，迅速搅拌4～6min；
(5)炉内铝液静置5～15min，调整铝液温度至700±10℃，打开炉组放水装置，开始浇铸；
(6)浇铸过程，铝合金液经过炉后静波除气及炉后双转子除气，进入模具内部凝固成锭。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的AlSi7合金锭为Si含量在7-7.5％范围内的铝硅中间合金。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的硼酸钠为含有无色晶体的白色粉末，分子式为Na2B4O7.H2O。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的AlTi10为Ti含量在9％-11％的铝钛中间合金锭。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的AlBe3为Be含量在2.5％-3.5％的铝铍中间合金锭。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的AlMn10为Mn含量在9％-11％的铝锰中间合金锭。
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